КАТЕГОРИИ:
АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
|
Основы диффузионного массопереноса
Диффузия (от лат. diflusio – распространение, растекание, рассеивание), перенос частиц разной природы, обусловленный хаотичным тепловым движением молекул (атомов) в одно- или многокомпонентных газовых либо конденсированных средах. Такой перенос осуществляется при наличии градиента концентрации частиц или при его отсутствии; в последнем случае процесс называется самодиффузией. Различают диффузию коллоидных частиц (это дисперсные системы, как, например, дымы и золи, промежуточные между истинными растворами и грубодисперсными системами – взвесями и эмульсиями; размеры коллоидных частиц варьируются в пределах от 10-7 до 10-5 см), в твердых телах, молекулярную, нейтронов, носителей заряда в полупроводниках и перенос частиц в движущейся с определенной скоростью среде (конвективная диффузия.) и др. Самым известным примером диффузии является перемешивание газов (например, молекулы духов смешиваются с молекулами газов воздуха, и аромат духов можно почувствовать, стоя вдали от человека, надушившегося ими) или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной). Другой пример связан с твёрдым телом: если один конец стержня нагреть или электрически зарядить, распространяется тепло (или соответственно электрический ток) от горячей (заряженной) части к холодной (незаряженной) части. В случае металлического стержня тепловая диффузия развивается быстро, а ток протекает почти мгновенно. Если стержень изготовлен из синтетического материала, тепловая диффузия протекает медленно, а диффузия электрически заряженных частиц — очень медленно. Диффузия молекул протекает в общем ещё медленнее. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным. Ещё медленнее происходит диффузия одного твёрдого вещества в другое. Например, если медь покрыть золотом, то будет происходить диффузия золота в медь, но при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление) золотосодержащий слой достигнет толщины в несколько микрометров только через несколько тысяч лет. Стоит заметить, что процессы массопереноса напрямую зависят от тепловых процессов происходящих в системе. В данном разделе представлены основы массопереноса и некоторые аналогии с теорией теплопередачи, поскольку теорией тепломассопереноса занимается отдельная сложная наука – теплотехника. Все виды диффузии подчиняются однотипным законам. Скорость диффузии пропорциональна площади поперечного сечения образца, а также разности концентраций, температур или зарядов (в случае относительно небольших величин этих параметров). Так тепло будет в четыре раза быстрее распространяться через стержень с диаметром в два сантиметра, чем через стержень с диаметром в один сантиметр. Это тепло будет распространяться в два раза быстрее, если перепад температур на одном сантиметре будет 10 °C вместо 5 °C. Скорость диффузии пропорциональна также параметру, характеризующему конкретный материал. В случае тепловой диффузии этот параметр называется теплопроводность, в случае потока электрических зарядов – электропроводность. Количество вещества, которое диффундирует в течение определённого времени и расстояние, проходимое диффундирующим веществом, пропорциональны квадратному корню времени. Диффузия представляет собой процесс на молекулярном уровне и определяется случайным характером движения отдельных молекул. Скорость диффузии пропорциональна в связи с этим средней скорости молекул. В случае газов средняя скорость малых молекул больше, а именно она обратно пропорциональна квадратному корню из массы молекулы и растёт с повышением температуры. Например, если в смеси газов одна молекула в четыре раза тяжелее другой, то такая молекула передвигается в два раза медленнее по сравнению с её движением в чистом газе. Соответственно, скорость диффузии её также ниже. Эта разница в скорости диффузии лёгких и тяжёлых молекул применяется, чтобы разделять субстанции с различными молекулярными весами. В гидравлических системах важную роль занимает процесс переноса некоторой компоненты смеси из области с высокой концентрацией этой компоненты в область с меньшей концентрацией, который называют массообменном. Различают диффузионный массообмен и конвективный массообмен. Диффузионный массообмен в среде (также часто называемый молекулярным массообменом) происходит главным образом в результате молекулярного движения. Диффузия одного компонента в смеси, находящейся по существу в стационарном состоянии, в направлении уменьшения концентрации этого компонента аналогична переносу тепла теплопроводностью в направлении уменьшения температуры. Хорошо известным примером диффузионного массообмена является перенос распыляемого из баллончика аэрозоля в неподвижном воздухе комнаты. Аэрозоль из места распыления распространяется по всей комнате. Аналогично мокрая одежда, находящаяся в комнате, в конечном счете, высыхает, поскольку водяной пар с высокой концентрацией, окружающий одежду, диффундирует в более сухой воздух и т.д. Конвективный массообмен включает перенос компонента вследствие движения всей массы жидкости. Процесс конвективного массообмена аналогичен процессу конвективного теплобмена. Конвективный массообмен может быть вынужденным и свободным. Если движение жидкости обусловлено разностью плотностей, процесс является свободным конвективным массообменом, а если движение жидкости вызывают внешние устройства, такие, как вентилятор или насос, процесс принято классифицировать как массообмен при вынужденной конвекции. Существуют многочисленные примеры процессов конвективного массообмена, такие, как увлажнение, дистилляция, экстракция жидкости, абсорбция газа, выщелачивание.
|